0.6초만에 수소 누출 감지하는 차세대 센서

KAIST

수소 센서와 스마트폰 앱을 통해 실시간으로 수소 감지 성능을 확인했다. KAIST 제공

0.6초 이내로 빠르게 수소 누출을 감지하는 수소 센서가 개발됐다.

KAIST는 조민승 전기및전자공학부 박사가 현대자동차 기초소재연구센터 전자기에너지소재 연구팀, 서민호 부산대 의생명융합공학부 교수 연구팀과 함께 미국 에너지청 기준 성능을 충족하면서도 0.6초 이내로 수소 누출을 감지하는 수소 센서를 최초로 개발해 국제 학술지 'ACS 나노'에 지난해 12월 공개했다고 10일 밝혔다.

친환경 수소 자동차 개발 단계에서 수소 센서는 사용자 안전과 직결돼 있어 중요도가 높다. 기존 수소 센서 연구는 팔라듐(Pd) 소재에 촉매 처리를 하거나 합금을 만드는 등 주로 감지 소재에 집중됐다. 이 경우 특정 성능 지표에선 매우 뛰어난 성능을 보이지만 모든 성능 지표를 충족하기는 어려웠다. 또 일괄 공정이 어려워 상용화에 한계가 있었다. 

연구팀은 순수한 팔라듐 물질에 마이크로·나노 구조 설계 및 공정 기술을 접목했다. 양산 가능성을 높이기 위해 물질적 제약이 높은 합성 소재가 아닌 순수 금속 소재들을 활용했다. 이를 통해 반도체 일괄 공정 기반으로 대량 생산이 가능한 차세대 수소 센서를 개발했다. 

연구팀이 개발한 센서 소자는 히터와 감지 물질이 동일 평면상에 나란히 집적돼 있다. 기존 센서는 히터-절연층-감지 물질이 수직으로 적층된 구조다. 감지 물질인 팔라듐 나노 소재는 '공중부양'된 구조로 하단부까지 공기 중에 노출돼 있다. 이를 통해 가스와의 반응 면적을 극대화해 가스 누출 시 빠르게 반응할 수 있도록 했다. 

이어 제작된 소자를 블루투스 모듈과 패키징해 무선으로 0.6초 이내에 수소 누출을 감지하는 통합 모듈을 제작했다. 성능 검사 결과 0.1~10% 농도의 수소를 감지할 수 있으며 -10~80도의 넓은 온도 범위에서도 문제없이 동작했다. 또 1만 회 이상 반복적으로 사용할 수 있었다.

연구팀은 개발된 소자를 현대자동차와 함께 웨이퍼 스케일로 제작한 후 차량용 모듈에 탑재해 감지 및 내구 성능을 추가로 검증하는 중이다. 

연구를 주도한 조 박사는 "기존 수소 센서의 한계를 뛰어넘어 고속 동작할 뿐만 아니라 실사용에 필요한 신뢰성, 안정성까지 확보했다"며 "수소 센서 기술의 상용화를 통해 안전한 친환경 수소 에너지 세상을 앞당기는 데 기여하고 싶다"고 밝혔다.

[박건희 기자 wissen@donga.com]